[论文解读] Coordinated Multi-area Economic Dispatch via Critical Region Projection

Ye Guo, Lang Tong+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2016

Electric Power System Optimization参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文提出一种基于临界区域投影（CRP）的协调多区域经济调度（MAED）方法，通过将边界相角作为耦合变量来分解联合经济调度问题。利用多参数二次规划，CRP将最优发电量和成本表征为临界区域上的分段仿射和分段二次函数，通过本地运营商与协调器之间最小信息交换的迭代协调，实现有限步收敛。

ABSTRACT

A coordinated economic dispatch method for multi-area power systems is proposed. Choosing boundary phase angles as coupling variables, the proposed method exploits the structure of critical regions in local problems defined by active and inactive constraints. For a fixed boundary state given by the coordinator, local operators compute the coefficients of critical regions containing the boundary state and of the optimal cost functions then communicate them to the coordinator who in turn optimizes the boundary state to minimize the overall cost. By iterating between local operators and the coordinator, the proposed algorithm converges to the global optimal solution in finite steps, and it requires limited information sharing.

研究动机与目标

• 解决互联电力系统中独立系统运营商（ISOs）在不披露私有系统信息的前提下进行去中心化联合经济调度的挑战。
• 克服传统拉格朗日松弛法在多区域经济调度（MAED）中迭代次数高、通信成本大的问题。
• 通过利用参数优化中临界区域的结构，实现有限步收敛（不同于拉格朗日松弛等迭代方法）。
• 通过仅交换边界状态、临界区域参数和成本函数，避免披露内部系统参数，最小化ISO之间的信息共享。
• 开发一种实用且可扩展的协调MAED框架，在包括大规模网络在内的多种测试系统中保持精度与效率。

提出的方法

• 将联合经济调度（JED）问题建模为一种去中心化优化问题，以边界相角作为互联区域之间的耦合变量。
• 对每个区域求解本地经济调度子问题，推导出包含当前边界状态的临界区域，以及相关的分段仿射发电量和分段二次成本函数。
• 利用多参数二次规划（mp-QP）将最优解表征为边界状态的函数，将状态空间划分为临界区域。
• 协调器聚合本地成本函数并求解主问题，以最小化系统总成本，将边界状态投影到成本更低的临界区域。
• 在本地运营商与协调器之间迭代：每个区域为当前边界状态计算其临界区域和成本函数，协调器则更新边界状态至更低代价区域。
• 在临界区域的不等式描述中应用冗余去除，以减少通信开销，尤其在大型系统中效果显著。

实验结果

研究问题

• RQ1 去中心化的MAED方法是否能在不完全披露内部系统数据的前提下实现有限步收敛？
• RQ2 如何利用多参数规划中临界区域的结构来减少多区域经济调度中的通信与计算开销？
• RQ3 在协调经济调度中，收敛速度、通信成本与信息隐私之间的权衡关系如何？
• RQ4 在大规模系统中，所提出的CRP方法与拉格朗日松弛法和边际等效分解（MED）等成熟方法相比，在性能与精度上表现如何？
• RQ5 边界状态空间的维度在多大程度上影响算法的可扩展性与通信效率？

主要发现

• 在所有测试案例中，包括IEEE 30-bus、118-bus、300-bus和448-bus系统，CRP均达到与集中式JED相同的最优成本，验证了其最优性。
• 在IEEE 30-bus系统中，CRP在2次迭代内收敛，总成本为14,597.54美元/小时，与JED一致，且仅交换188个浮点数据，显著低于MED（876）和LR（1016）。
• 在场景2中，MED因约束违反而不可行，CRP仍以2次迭代收敛至最优成本（6,095.31美元/小时），展现出强鲁棒性。
• 在3区域448-bus系统中，CRP与JED的总成本均为8.31×10⁵美元/小时，仅需5次迭代，优于MED（成本更高）和LR（未能收敛）。
• 在448-bus系统中，CRP相比MED将通信成本降低55%，仅交换1,618个浮点数据点，而MED为3,630个，尽管迭代次数相近。
• 在临界区域不等式中应用冗余去除后，30-bus区域的约束数从98个减少至11个，118-bus区域从486个减少至19个，300-bus区域从966个减少至17个，表明实际通信效率极高。